在現(xiàn)代電子設(shè)備中，電源開關(guān)作為電能轉(zhuǎn)換與控制的關(guān)鍵部件，其性能直接影響著設(shè)備的整體效能與穩(wěn)定性。一方面，高效率的電源開關(guān)能夠降低能量損耗，延長設(shè)備續(xù)航時間，提升能源利用效率;另一方面，低干擾的電源開關(guān)可減少對周邊電路及設(shè)備的電磁干擾，保障系統(tǒng)的可靠運行。要實現(xiàn)電源開關(guān)效率高且干擾小二者兼得，需要從多個維度進(jìn)行深入考量與精心設(shè)計。
采用軟開關(guān)技術(shù)提升效率并降低干擾
零電壓開關(guān)(ZVS)技術(shù)
零電壓開關(guān)技術(shù)是軟開關(guān)技術(shù)的重要分支。在傳統(tǒng)的硬開關(guān)電源中，開關(guān)管在導(dǎo)通和關(guān)斷瞬間，電壓和電流同時存在較大變化，導(dǎo)致開關(guān)損耗顯著增加，同時產(chǎn)生強烈的電磁干擾。ZVS 技術(shù)通過在開關(guān)管兩端并聯(lián)電容和電感組成的諧振電路，使開關(guān)管在電壓為零的時刻導(dǎo)通。在開關(guān)管導(dǎo)通前，諧振電路將其兩端電壓降低至零，此時開關(guān)管導(dǎo)通，幾乎沒有電流與電壓的重疊，從而大大降低了導(dǎo)通損耗。由于電壓變化率減小，電磁干擾也隨之降低。在一些高端服務(wù)器電源中，采用 ZVS 技術(shù)的電源開關(guān)，其效率可提升至 95% 以上，同時電磁干擾水平降低了約 20dB，有效實現(xiàn)了高效率與低干擾的雙重目標(biāo)。
零電流開關(guān)(ZCS)技術(shù)
零電流開關(guān)技術(shù)則是讓開關(guān)管在電流為零的時刻進(jìn)行導(dǎo)通或關(guān)斷操作。在開關(guān)管關(guān)斷時，通過電感的儲能作用，使流經(jīng)開關(guān)管的電流逐漸減小至零，然后再關(guān)斷開關(guān)管，避免了電流拖尾現(xiàn)象，減少了關(guān)斷損耗。由于電流變化率降低，電磁干擾也相應(yīng)減小。在一些高頻 DC - DC 變換器中，運用 ZCS 技術(shù)，開關(guān)頻率可提高至兆赫茲級別，同時保持較高的轉(zhuǎn)換效率，且電磁干擾滿足嚴(yán)格的電磁兼容性(EMC)標(biāo)準(zhǔn)。
優(yōu)化濾波電路抑制干擾并保障效率
輸入輸出濾波電路設(shè)計
在電源開關(guān)的輸入和輸出端合理設(shè)計濾波電路，是抑制干擾的關(guān)鍵措施。在輸入濾波方面，采用共模電感和差模電容組成的濾波網(wǎng)絡(luò)。共模電感對共模干擾電流呈現(xiàn)高阻抗，有效抑制了電源線上的共模干擾信號進(jìn)入電源開關(guān)電路。差模電容則用于濾除差模干擾，確保輸入電源的純凈度。在輸出濾波中，根據(jù)電源開關(guān)的輸出特性，設(shè)計合適的 LC 濾波電路。通過精確選擇電感和電容的值，使濾波電路在有效濾除輸出電壓紋波的同時，盡量減少對有用信號的衰減，保障電源開關(guān)的輸出效率。在一個工業(yè)自動化設(shè)備的電源開關(guān)電路中，經(jīng)過優(yōu)化的輸入輸出濾波電路，將電源線上的干擾信號降低了 30dB 以上，同時輸出電壓紋波降低至 50mV 以下，既保證了電源開關(guān)的高效運行，又減少了對周邊設(shè)備的干擾。
去耦電容的合理應(yīng)用
在電源開關(guān)芯片的電源引腳附近，合理布置去耦電容，能夠有效抑制電源開關(guān)工作時產(chǎn)生的高頻噪聲。去耦電容能夠快速為芯片提供瞬態(tài)電流，減少電源線上的電壓波動。選擇不同容值的去耦電容并聯(lián)使用，可覆蓋更寬的頻率范圍。在一個高速數(shù)字電路的電源開關(guān)部分，通過在芯片電源引腳處并聯(lián) 0.1μF 和 0.01μF 的陶瓷電容，有效濾除了電源開關(guān)產(chǎn)生的高頻噪聲，保障了數(shù)字電路的穩(wěn)定運行，同時不影響電源開關(guān)的轉(zhuǎn)換效率。
合理布局布線減少干擾并提升效率
縮短信號傳輸路徑
在印刷電路板(PCB)布局時，盡量縮短電源開關(guān)電路中關(guān)鍵信號的傳輸路徑。長信號走線會增加線路的寄生電感和電容，導(dǎo)致信號在傳輸過程中發(fā)生畸變，產(chǎn)生電磁干擾，同時也會增加信號傳輸損耗，降低電源開關(guān)效率。將開關(guān)管、電感、電容等元件緊湊布局，減少它們之間的連線長度，可有效降低電磁干擾的產(chǎn)生，并提高信號傳輸效率。在一些緊湊型電源模塊中，通過優(yōu)化元件布局，將信號傳輸路徑縮短了約 40%，電磁干擾降低了 15dB，同時電源開關(guān)效率提升了 3%。
合理規(guī)劃電源和地平面
合理規(guī)劃電源和地平面是減少電磁干擾、提升電源開關(guān)效率的重要手段。采用大面積的電源和地平面，可降低電源內(nèi)阻和地電位差，減少電磁干擾的傳播。在多層 PCB 設(shè)計中，將電源層和地層相鄰放置，利用電容耦合效應(yīng)，進(jìn)一步降低電源噪聲。通過合理分割電源和地平面，避免不同電源域和信號域之間的相互干擾。在一個復(fù)雜的電子系統(tǒng)中，通過優(yōu)化電源和地平面的布局，有效解決了電源開關(guān)對其他電路模塊的干擾問題，同時提高了電源開關(guān)的轉(zhuǎn)換效率，使整個系統(tǒng)的性能得到顯著提升。
選擇合適的開關(guān)器件與電路拓?fù)?
高性能開關(guān)器件選型
選擇低導(dǎo)通電阻、高開關(guān)速度的開關(guān)器件，對于提高電源開關(guān)效率和降低干擾至關(guān)重要。在功率 MOSFET 的選擇上，優(yōu)先選用導(dǎo)通電阻低的型號，可降低導(dǎo)通損耗。寬禁帶半導(dǎo)體器件，如碳化硅(SiC)和氮化鎵(GaN)器件，具有更高的開關(guān)速度和更低的導(dǎo)通電阻，相比傳統(tǒng)的硅基器件，能夠顯著提高電源開關(guān)的效率，同時由于開關(guān)速度快，開關(guān)時間短，電磁干擾也相應(yīng)減小。在一些新能源汽車的車載充電器中，采用 SiC MOSFET 作為電源開關(guān)器件，其效率比傳統(tǒng)硅基器件提高了 5% - 8%，電磁干擾降低了 10dB 以上。
優(yōu)化電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)
不同的電路拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)對電源開關(guān)的效率和干擾特性有著顯著影響。在設(shè)計電源開關(guān)電路時，根據(jù)具體應(yīng)用需求，選擇合適的電路拓?fù)?。對于中小功率?yīng)用，反激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)簡單，但在開關(guān)過程中易產(chǎn)生較大的電壓和電流尖峰，導(dǎo)致效率降低和干擾增加。相比之下，正激式拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)在功率傳遞過程中更為平穩(wěn)，效率較高且干擾較小。對于大功率應(yīng)用，移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)通過軟開關(guān)技術(shù)，能夠有效降低開關(guān)損耗和電磁干擾。在一個通信基站的電源系統(tǒng)中，采用移相全橋拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)的電源開關(guān)，其效率達(dá)到了 96% 以上，電磁干擾滿足通信設(shè)備的嚴(yán)格要求。
要實現(xiàn)電源開關(guān)效率高且干擾小二者兼得，需要綜合運用軟開關(guān)技術(shù)、優(yōu)化濾波電路、合理布局布線以及選擇合適的開關(guān)器件與電路拓?fù)涞榷喾N方法。通過從多個層面進(jìn)行精心設(shè)計和優(yōu)化，能夠打造出高性能、低干擾的電源開關(guān)系統(tǒng)，滿足現(xiàn)代電子設(shè)備對電源性能日益嚴(yán)苛的要求。隨著電子技術(shù)的不斷發(fā)展，新的材料、器件和電路技術(shù)將不斷涌現(xiàn)，為實現(xiàn)電源開關(guān)效率與干擾控制的進(jìn)一步優(yōu)化提供更多可能。在未來的電源設(shè)計中，持續(xù)關(guān)注技術(shù)創(chuàng)新，不斷探索新的設(shè)計思路和方法，將為電子設(shè)備的發(fā)展注入強大動力。
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